PHC高强预应力管桩在桥梁设计中的应用(1)

收稿日期：２００７－１０－１５

作者简介：史建锋（１９７６－），男，河南开封人，工程师，从事路桥设计工作。

ＰＨＣ高强预应力管桩在桥梁设计中的应用

摘

要：该文以ＰＨＣ桩在桥梁工程中的设计及应用为例，介绍了ＰＨＣ桩的技术特点，并对ＰＨＣ桩与钻孔灌注桩进行了技

术经济比较，可供桥梁设计、

施工人员参考。关键词：ＰＨＣ高强预应力管桩；钻孔灌注桩；摩擦桩；端承桩；贯入度中图分类号：Ｕ４４３．１５

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００９－７７１６（２００８）０３－００９６－０４

史建锋

（广州市公路勘察设计院，广东广州５１０５００）

１ＰＨＣ管桩概述

高强预应力混凝土管桩（简称ＰＨＣ桩），是上

世纪八十年代我国引进日本、美国等发达国家的先进生产技术而研究开发的一种新型预制桩。该产品按照国标ＧＢ１３４７６－９２《先张法予应力混凝土管桩》设计制造，是采用预应力工艺、经离心成型、常压———高压蒸汽养护工艺在工厂标准化、规模化生产制造的预应力中空圆筒体细长混凝土预制件，运往施工现场后，可采用钻孔插桩、中掘法、半中掘法等不同沉桩工艺或通过锤击、静压的方法沉入地下作为建（构）筑物的基础。管桩外径为Ф４０￣６０ｃｍ，主要由圆筒形桩身、端头板合钢套箍等组成。按预应力施加方法可分为先张法预应力管桩和后张法预应力管桩。ＰＨＣ管桩混凝土强度等级不应低于Ｃ８０。

经过近十几年的实践发展，ＰＨＣ管桩作为高强混凝土水泥制品在我国生产制造已经非常成熟，其产品工艺技术与机械设备装备水平先进，设计、施工与检测方法也日臻完善。ＰＨＣ桩以其桩身混凝土强度高，耐冲击性能好，贯穿能力强，对不同地质条件适应性广；具有单桩承载力高，抗弯抗裂性能好，产品工厂流水线生产，质量稳定可靠，耐久性好；运输吊装轻便，施工速度快，工期短，施工现场简洁文明以及成桩质量监测方便等一系列优点，而被广泛应用于各种建筑物和构筑物的基础。如工业和民用建筑、高层建筑、高速公路和桥梁、铁路、机场、港口码头等基础工程。现在国内研制生产的预应力管桩７０％以上都是ＰＨＣ管桩，广东地区几乎１００％都是ＰＨＣ管桩，目前国内已有生产厂近百家，年产量超过

１０００万ｍ，在国家建设中发挥着愈来愈大的作

用。

２ＰＨＣ管桩优点

（１）单桩承载力高：由于采用精心设计的混凝

土配合比并使用超塑化剂，加之应用了高速离心成型工艺和二次湿热养护工艺，ＰＨＣ桩混凝土抗压强度大于Ｃ８０，因此单桩容许承载力高（见表１），单位承载力造价低。

（２）抗弯、抗拉性能好：由于管桩桩身混凝土强度高，加上使用了高强度、低松驰率的预应力专用钢筋，使桩身具有较高的有效预压力

（３～８ＭＰａ），因此ＰＨＣ管桩具有相当大的抗弯和

抗拉能力（见表１）。

（３）耐久性好：由于采用了高速离心成型工艺（离心加速度高达３０～３５ｇ，ｇ为重力加速度）和高温高压（压力１ＭＰａ；温度１８０℃）蒸汽养护，因此桩身混凝土密实性好（混凝土容重为２６ｋＮ／ｍ３左右）。其抗渗性、抗硫酸盐腐蚀性、耐碳化性均优于

普通混凝土。

（４）对不同地质条件和不同沉桩施工工艺的适用性好：ＰＨＣ桩可采用钻孔插桩、中掘法、半中掘法等不同沉桩工艺或通过锤击、静压的方法施工，可根据设计要求和试桩情况选用不同长度和规格的单节灵活配桩，现场焊接，最大限度地减少截桩量。ＰＨＣ桩配有十字形、

锥形、开口形等桩尖可供选用，适合不同地层贯入作用。若使用开口桩尖，沉桩过程中内腔可进土约２／５桩长，大大减小了挤土效应，减轻了对周围建筑物的挤压作用。

（５）质量稳定可靠：由于采用工厂预制的生产方式，可利用先进的工艺和设备，产品质量容易控制。

（６）应用范围广：工厂生产、商品供应，可以有不同的规格，长度供选择，设计选用范围广，容易布桩，对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性强。

（７）施工速度快，工期短：ＰＨＣ桩在工厂商品化生产，能按施工要求及时供桩，施工前期准备时

成果应用

９６

２００８年３月第３期

城市道桥与防洪

间短，一般能缩短工期１～２月。

（８）施工现场文明：施工现场无砂石、水泥，无泥浆污染，对施工现场狭窄的工程特别有利。

（９）ＰＨＣ桩符合建设部制定的《建筑基础工程技术》中关于“积极发展高强预应力混凝土管桩的制作和沉桩技术”规范要求。

（１０）经过调查发现，ＰＨＣ管桩在抗震方面具有明显优势，因此，目前日本桩基础普遍使用ＰＨＣ管桩。

（１１）ＰＨＣ桩为中空圆筒体细长混凝土预制件，桩身耗材较低、

单桩造价低。ＰＨＣ管桩力学性能见表１。

３工程实例

３．１工程介绍

近年桥梁设计、施工实践中，有几座人行天桥

及广州市东二环辅道上四座中桥基础均采用了

ＰＨＣ管桩，下文以东二环辅道上四座中桥为例，

介绍ＰＨＣ管桩在桥梁基础上的应用。桥型布置见图１，设计荷载：公路－Ｉ级，桥宽：７．５ｍ，上部结构采用１６ｍＣ４０先张预应力混凝土空心板，下部结构设计时，进行了钻孔灌注桩与ＰＨＣ桩的方案比较，最后决定采用Ｂ型管径Ф５０ｃｍＰＨＣ管

桩。

３．２工程地质分析

本项目所在位置地势平缓，主要是耕植地。地质情况大致为地面下０～１８．１ｍ为软土层（淤泥、淤泥质土层），地面下２３～３３．８ｍ为全风化至强风化混合岩，地面下３３．８～４１．３０ｍ为弱风化至微风化混合岩。

３．３ＰＨＣ管桩与钻孔灌注桩比较

根据地质情况，桩基均按摩擦桩设计。本项目桥梁基础钻孔灌注桩与ＰＨＣ桩优缺点及经济比较，见表２、表３，从表中可知，ＰＨＣ桩要比钻孔灌注桩经济，节约造价约２０％左右，经济效益要好，施工文明、速度快，无噪声污染，质量易保证等优点，所以本项目采用ＰＨＣ管桩基础。

３．４ＰＨＣ管桩设计

ＰＨＣ管桩一般不易贯穿坚硬岩石，不易按嵌

入坚硬岩石的端承桩设计，可以摩擦桩或摩擦端承桩进行设计验算。本项目ＰＨＣ管桩均按摩擦桩进行桩基计算。单桩轴向受压容许承载力［Ｐ］计算公式如下：

图１桥型布置图

表１

ＰＨＣ管桩力学性能

外径

（ｍｍ）型式壁厚（ｍｍ）混凝土有效预压应力（ＭＰａ）轴心受压极限值（ｋＮ）抗裂弯矩（ｋＮ・ｍ）

极限弯矩

（ｋＮ・ｍ）

４００薄壁

５５４．１５２３２５４１６３Ａ９５４．１４３５６６５９８１Ｂ９５７．４３３４８６８０１４５５００薄壁

６０３．４１３２５０６８９１Ａ１００４．３２４９１９１０９１５１Ｂ１００８．２７４７８８１５６２９２６００薄壁

７０３．０４４５８８１１１１３７Ａ１１０３．８２６６４７１７２２２３Ｂ

１３０

７．４３

７３５０

２６０

４７１

成果应用９７

项目ＰＨＣ管桩钻孔灌注桩

①工期无前期准备，工期可缩

短１￣２个月

成桩后需保养一个

月

②施工现场不需预制场地，现场无

砂石料、废水、废浆及

噪音污染

场地污染严重，有噪

音，施工工艺要求较

高

③工程质量成品桩出厂前已检测，

可靠保证

现场施工，隐蔽工程，

较难保证

④成桩监测方便直观可靠不易观察，费用较大

⑤破损率极小不易观察

⑥单桩承载力价格低高

⑦混凝土方量和钢材耗用量混凝土方量比钻孔灌

注桩少４０～５０％，耗

钢量少５０～６０％

混凝土方量大，钢筋

用量多

［Ｐ］＝１／２（Ｕ∑αｉｌｉτｉ＋αＡбＲ）（１）式中，Ｕ－桩的周长（ｍ）；

Ａ－桩底横截面面积（ｍ２），用设计直径计算；

ｌｉ－承台底面或局部冲刷线以下各土层厚度（ｍ）；

τｉ－与ｌｉ相应的各土层与桩壁的极限摩阻力（ｋＰａ）；

бＲ－桩尖处土的极限承载力（ｋＰａ）；

αｉ、α－分别为震动沉桩对各土层桩周摩

擦力和桩底承压力的影响系数，对

于锤击沉桩其值均为１．０。

本项目其中一座桥（跨径组合：３×１６ｍ）每个桥墩采用４根Ｂ型，外径Ф５０ｃｍＰＨＣ管桩，每根桩长３３ｍ（３节８ｍ和１节９ｍ预制ＰＨＣ管节连接而成），单桩容许承载力为１４００ｋＮ。每个桥台采用４根Ｂ型，外径Ф５０ｃｍＰＨＣ管桩，每根桩长２９ｍ（由２节９ｍ和１节１１ｍ预制ＰＨＣ管节连接而成），单桩容许承载力为１０００ｋＮ。桥墩、台承台尺寸均为３００ｃｍ（长）×１２０ｃｍ（宽）×１５０ｃｍ（高），桩顶嵌入承台１００ｃｍ，桩间距２００ｃｍ。３．５ＰＨＣ桩与承台的连接

（１）桩顶直接埋入承台连接：ＰＨＣ桩外径为Ф４０～６０ｃｍ，埋入承台长不应小于２倍桩径。本项目外径Ф５０ｃｍＰＨＣ管桩埋入承台长度１ｍ。

（２）桩顶２００～３００ｃｍ高度范围内插入８Ф２５钢筋，并用Ｃ３０细石混凝土填实与承台连接，钢筋伸入承台长度不小于５０ｄ（ｄ为钢筋直径），承受拉力的管桩，其与承台的连接和主筋伸入长度应符合受力要求。本项目此次设计未采用这种连接方法。

（３）方式（１）、方式（２）组合与承台连接，桩顶埋入承台长不小于２倍桩径，并在桩顶２００￣３００ｃｍ高度范围内插入钢筋用Ｃ３０细石混凝土填实。本项目外径Ф５０ｃｍＰＨＣ管桩埋入承台长度１ｍ，桩顶２００ｃｍ高度范围内插入６Ф２５钢筋，并用Ｃ３０细石混凝土填实与承台连接。

表３ＰＨＣ管桩与钻孔灌注桩经济比较表

桥梁名称中心桩号跨径组合

基础类型

钻孔灌注桩管桩

名称桥台桥墩合计

（万元）

桥台桥墩承台混

凝土（ｍ３）桩径ф１００ф１２０ф１５０ф５０ф５０

第一座Ｋ１＋３４９１３ｍ＋１６ｍ＋１３ｍ单桩长（ｍ）１４２２

１３．６

１８２４

４９

１０．６４根数４２８８

总桩长（ｍ）５６４４１４４１９２

造价（万元）７６．６２．８８３．８４３．９２

第二座Ｋ２＋１１０１３ｍ＋１６ｍ＋１３ｍ单桩长（ｍ）１８２３

１４．１

１８２２

４９

１０．３２根数４２８８

总桩长（ｍ）７２４６１４４１７６

造价（万元）７．２６．９２．８８３．５２３．９２

第三座Ｋ２＋８５６．５１３ｍ＋１６ｍ＋１３ｍ单桩长（ｍ）２６２８

１８．８

２４３０

４９

１２．５６根数４２８８

总桩长（ｍ）１０４５６１９２２４０

造价（万元）１０．４８．４３．８４４．８３．９２

第四座Ｋ３＋３３０１６ｍ＋１６ｍ＋１６ｍ单桩长（ｍ）２５２８

１８．４

３２３５

６９

１７．６４根数４２８１０

总桩长（ｍ）１００５６２５６３５０

造价（万元）１０８．４５．１２７５．５２

总计（万元）６４．９５１．１６

合计（万元）

成果应用９８

２００８年３月第３期城市道桥与防洪

今年２月份的最后一个工作日，上海市轨交客流再创新高———全路网总客流３４６．４万人次，较前一纪录净增２３．６万人次，各条线路均打破了本线客流的最高纪录，而换乘客流更是首次突破百万，达到１０６．２万人次。

这是今年第三次连续刷新客流历史纪录，轨交网络运营规模效应日益凸现。上海轨交年内将进一步增加相关线路的运能，全力确保轨道交通畅通有序。城市轨道交通正吸引着越来越多的客流。截至目前，轨交客运量占上海市公共交通客运总量之比已从去年的

１６％迅速攀升了４个百分点，达到近２１％。

申城轨交换乘客流首次突破百万

４ＰＨＣ桩施工

ＰＨＣ管桩主要施工方法、步骤及质量控制详见有关规范及文献，本文主要介绍ＰＨＣ管桩施工

中与设计有关注意事项。

（１）桩机施工终止条件：对纯摩擦桩，终止条件应以设计桩长为主要控制条件。实际施工中，当桩长已达设计要求，而贯入度仍较大时，应继续锤击，使贯入度接近控制贯入度。当贯入度已达控制贯入度，而桩长未达到设计要求时，应继续锤击１００ｍｍ左右

（或锤击３０～５０击），如无异常变化时，即可停锤，或桩进入持力层且最后三次贯入阻力达１．８～２．０倍单桩设计承载力而累积下沉≤

１０ｍｍ时为停压控制标准；对长度大于２１ｍ的

端承摩擦桩，宜以设计桩长控制为主，终压力值作对照；对长１４～２１ｍ静压桩，应以终压力达满载值为控制条件，开挖后采用截桩处理，当压力值未能达到设计要求，但桩底标高已达到设计标高，宜继续送桩（１ｍ范围内），直至压力值达到设计要求，施工结束后及时与设计单位联系，出具处理方案。

（２）尽量减少接桩，预制管桩接头不宜超过３个，接桩宜在桩尖进入硬土层后进行。接桩时上、下段桩的中心线偏差不宜大于２ｍｍ，节点弯曲矢

高不得大于桩段的０．１％，同一承台下不同桩不宜在同一截面进行接长。

（３）合理布置桩位，桩与桩的中心距不宜小于

３倍桩径。

（４）施工过程中要严格控制好桩身垂直度，重点应放在第一节桩上，控制倾斜度在１％之内，垂直度偏差不得超过桩长的０．５％。

（５）制定桩基合理施工顺序，使地基应力扩散

均匀，减轻桩挤土效应及对邻近地基基础的影响。

５结语

经过近十几年的实践发展，ＰＨＣ管桩的设计、

施工与检测方法日臻完善，ＰＨＣ桩技术性能好，综合经济指标佳，施工文明、便捷、速度快，在国内工业与民用建筑、港口码头等工程基础建设中得到了迅猛发展与应用，受到越来越多的设计人员和建设单位的欢迎。相信在未来几年内，在桥梁基础工程建设中将会更为广泛得到应用和推广，特别是在中、小桥、人行天桥及城市立交桥、高架桥基础中的应用前景广阔，值得推荐。

参考文献

［１］ＪＴＧ０２４－８５，公路桥涵地基与基础设计规范［Ｓ］．［２］ＧＢ５０００７－２００２，建筑地基基础设计规范［Ｓ］．［３］ＪＴＧ０４１－２０００，公路桥涵施工技术规范［Ｓ］．

成果应用９９

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏａｄｉｎｇｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅ

ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＡＣＨＩＥＶＥＭＥＮＴＳ

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｉｄｅ－ｓｌｏｐｅＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＫａｉｙａｎｇＥｘｐｒｅｓｓｗａｙＢｉｄＡ２０Ｐｒｏｊｅｃ!

ｔ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!ＬｉｕＷｅｉｑｕａｎ（９０）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｅｌｅｍｅｎｔａｒｉｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｓｉｄｅ－ｓｌｏｐｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｅｘ－ｐｒｅｓｓｗａｙ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｓｔｕｄｉｅｓａｎｄｓｕｍｓｕｐｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐ－ｍｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｓｉｄｅ－ｓｌｏｐｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｅｘｐｒｅｓｓｗａｙｓｉｎＣｈｉｎａｆｒｏｍｆｏｕｒａｓ－ｐｅｃｔｓｉｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｉｄｅ－ｓｌｏｐｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐｌａｎｔｓｏｎｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｓｌｏｐｅｓ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｂｅｎｅｆｉｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ，ｓｉｄｅｓｌｏｐｅ，ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ

ＥｌｅｍｅｎｔａｒｙＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｖｅＳｌｏｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＨａｒｎｅｓｓｉｎｇｏｆＳｅａＲｏｕｔ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!ｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｓｌｏｐｅ，ｓｅａ－ｒｏｕｔｅｍａｓｏｎｒｙ，ｄｅｓｉｇｎｇｉｓｔ，ｓｅａ－ｒｏｕｔｅｈａｒｎｅｓｓｉｎｇ

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＨＣＨｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＰｉｐｅＰｉｌｅｉｎＤｅｓｉｇｎｏｆＢｒｉｄｇ!!!!

ｅＳｈｉＪｉａｎｆｅｎｇ（９６）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴａｋｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＨＣｐｉｌｅｉｎｔｈｅｂｒｉｄｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＰＨＣｐｉｌｅ，ａｎｄｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｅ－ｃｏｎｏｍｉｃａｌｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｏｆＰＨＣｐｉｌｅｗｉｔｈｔｈｅｃａｓｔ－ｉｎ－ｓｉｔｅｐｉｌｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｒｅｆｅｒｒｅｄｂｙｔｈｅｂｒｉｄｇｅｄｅｓｉｇｎｅｒｓａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｏｒｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＨＣｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｐｉｐｅｐｉｌｅ，ｃａｓｔ－ｉｎ－ｓｉｔｅｐｉｌｅ，ｆｒｉｃｔｉｏｎｐｉｌｅ，ｅｎｄｂｅａｒｉｎｇｐｉｌｅ，ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ

Ｗｏｒｋ＆Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ

ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｂｌｅｍＰｒｏｂｉｎｇｉｎｔｏｏｆＵｒｂａｎＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｕｎｎｅｌＷｏｒｋ!!!!!

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